تجربه سلامتی و امنیت با NB-IoT
در زندگی پر مشغله امروز یادآور های تلفن های همراه (ریمایندر ها) نقش مهمی را ایفا می کنند. بدین صورت که در آغازین ساعات کاری روز تمام برنامه ها را به آن ها سپرده و منتظر فرمان گوشی برای اجرای تک به تک آن ها خواهیم ماند. اطلاع رسانی در گام بعدی پر کاربرد ترین استفاده انسان ها از تلفن های همراه می باشد.
اطلاعاتی همچون محل کنونی، احوالات، مشکلات و اخباری از این دست، بخش عمده ای از حافظه تلفن های همراه ما را به خود اختصاص داده است. اینترنت اشیاء یکی از راه حل های نوین بشر برای مدیریت هر چه هوشمندانه تر مشغله های زندگی است. همانطور که در طول این مقاله تلاش شده است متوجه می شویم که تکنولوژی اینترنت اشیاء با چند چالش بزرگ رو برو است. بعضی از این چالش ها محدود کننده پیشرفت محصولات IoT است و بعضی هم مزیت IoT بر دیگر محصولات تلقی می شود. در این مقاله تلاش شده است که گام به گام روش های انتخاب یک بستر مطمئن ارتباطی جدید بسته به نیاز های خود برای ساخت یک محصول را بررسی نماییم. محصولی که یاری کننده انسان ها در بهبود سلامت خود و خانواده خود باشد و همچنین در ارتقاء سطح امنیت زندگی شهری کمک های شایانی به عمل آورد.
IoT و دیگر ماژول های مخابراتی
در محصول مورد نظر دو ویژگی توان مصرفی و سطح پوشش شبکه نقش مهمی ایفا می کنند.
در نظر بگیرید برای محصول خود از تکنولوژی های حوزه PAN(Personal Area Network) استفاده می نمایید. در این حوزه با تکنولوژی های امثال Wifi- Bluetooth-ZigBee روبرو خواهیم شد که در بازار امروز کشور به فراوانی یافت شده و در قیمت های مناسب قابل استفاده و بهره برداری خواهند بود. محدودیت ما در استفاده از Wifi برای مثال، در این است که شما در این پروژه نیاز به ارسال اطلاعات تمامی سنسور های متصل به بدن خود برای یک پزشک دارید و معمولا به طور میانگین فاصله شما با پزشک تان بیشتر از 1000 متر خواهد بود. اما نهایت سطح پوشش PAN در حد چند صد متر خواهد بود و جوابگوی نیازهای ما نخواهد بود.
تا اینجا تکنولوژی ما محدود به LAN و WAN شده است که به ترتیب Local/Wide Area Network خواهند بود و شامل Lora-Sigfox-Simtech ICs-NB-IoT-2G-3G-LTE-5G خواهند بود. در میان تکنولوژی های موجود فیلترهای دیگری لازم خواهیم داشت که ما را به سمت محصول مقصود هدایت کنند. این ویژگی ها شامل هزینه، انرژی مصرفی، میزان bitrate مورد نیاز برای تکنولوژی و در نهایت سرعت انتقال اطلاعات می باشد. اگر در نظر داشته باشیم که یک مکان شهری به وسعت مشخصی را تحت پوشش شبکه اینترنت اشیاء در بیاوریم، هزینه ماژول های شبکه موبایل چیزی در حدود 10 برابر هزینه های لازم برای پوشش شبکه به وسیله سایر ماژول های IoT مانند NB-IoT و Lora خواهد بود. موضوع هزینه به دو علت اساسی چنین اختلافی را رقم می زند. یکی از این موارد میزان سرعت و حجم ارسال اطلاعات در هر بار ارسال ماژول ها خواهد بود و دیگری امکانات بیشتری مانند ارسال ویدئو و صوت می باشد که می دانیم طبق نظریه Tradeoff مهندسی برق برای بهره مندی از ویژگی های بهتر باید هزینه بیشتری پرداخت کنیم یا از بعضی از دیگر ویژگی ها چشم پوشی نماییم.
سیستم های 2G-3G-LTE-5G در میان تکنولوژی های بالا دارای سرعت انتقال و اطلاعات بالا می باشند، برای مثال سرعت دانلود در 4G در حدود 5 تا 12 مگابایت در هر ثانیه بوده و در 2G چیزی در حدود 50 کیلوبایت در هر ثانیه می باشد. در حالی که در شبکه Lora این مقدار درحدود 27 کیلو بایت در هر ثانیه بوده که مقدار کمتری خواهد بود. اما نکته مهم این است که برای محصول خود که در نهایت روزی یک بار مورد استفاده قرار خواهد گرفت سرعت انتقال اطلاعات نقش مهمی را ایفا نمی کند. از سوی دیگر در این محصول ویدئو ای ارسال نخواهد شد و حتی صدایی هم ارسال نمی گردد و صرفا اطلاعات متنی می باشند و این اطلاعات در حد چند عدد اعشاری و یا یک عکس جمع آوری شده از سنسور ها می باشد، پس نیازی به بسته های بزرگ اطلاعات نیز نمی باشد.
انرژی نیز برای تکنولوژی های نوین نقش مهمی ایفا می کند. همانطور که می دانیم با روشن بودن ساده ترین گوشی همراه و ارسال چند پیامک متنی شما نیاز به شارژ مجدد دستگاه بعد از سه الی چهار روز دارید. اما ماژول های IoT دارای مود های کاری مشخصی هستند که دستگاه در آن حالت کمترین مصرف انرژی را خواهند داشت که در توضیحات ماژول نهایی اندکی به آن پرداخته خواهد شد.
از این سو نتیجه می گیریم که برای محصول خود ماژول های NB-IoT-LORA- SigFox و دیگر ماژول های مخصوص اینترنت اشیاء بسیار کاراتر خواهند بود، به طوری که انتخاب آنها تمامی موارد ذکر شده در پاراگراف های پیشین را پوشش می دهد و همچنین به ما اجازه خواهند داد که محصول را برای هفته ها در دورترین نقطه ممکن بدون نیاز به تکنسین فعال نگه داریم. در ادامه نیاز داریم تا در میان این ماژول ها نیز به انتخاب بهترین گزینه برای محصول خود بگردیم.
NB-IoT و دیگر ماژول های اینترنت اشیاء
در میان این ماژول ها نیز بسته به کار مورد نظر انتخاب های گوناگونی خواهیم داشت. از نظر هزینه و انرژی مصرفی LORA و SIGFOX نسبت به دیگر ماژول ها برتری دارند. این ماژول ها در جهان در محصولاتی که نیاز به شارژ سالانه دارند استفاده می گردند، به صورتی که دستگاهی در بیابانی دور کار گذاشته می شود بدون اینکه نیاز به شارژ آن تا دو سال وجود داشته باشد. همچنین هر کدام از این ماژول ها می توانند در یک Gateway مشخص بیش از هزاران گره اعم از سنسور و دوربین را کنترل کنند و به جمع آوری اطلاعات از آن ها بپردازند. متاسفانه این تکنولوژی ها در مقابل دارای ضعف های بسیاری در انتقال اطلاعات هستند.
اولین و مهم ترین محدودیت حجم کم بسته های ارسال اطلاعات است به طوری که برای مثال در LORA این مقدار چیزی در حدود 50 تا 255 بایت می باشد و بیشتر از این را پشتیبانی نمی کند و یا برای SIGFOX این مقدار به 12 بایت محدود شده است. محدودیت مهم دیگر این است که این ماژول ها برای اپلیکیشن های real-time به هیچ وجه گزینه مناسبی نیستند زیرا که از Latency بسیار بالایی رنج می برند و ممکن است در ارسال اطلاعات اخلال ایجاد شود. گاها شما می بایست بیش از 10 دقیقه را صبر نمایید تا 255 بایت اطلاعات جدید دریافت کنید و مجددا 10 دقیقه دیگر برای بسته اطلاعات بعدی مجبور به توقف برنامه هستید. در شکل (1) این قضیه خود را به صورت نموداری از تعداد بسته پیام های دریافت شده نسبت به کل تعداد پیام های ارسال شده در هر آزمایش برای تعداد گره های مشخص نشان می دهد. در حد مثالی کوچک می توان تاکید کرد که برای SigFOX هر بسته 6 ثانیه نیاز به انتقال دارد و همچنین تنها در هر ساعت 6 پیام را می توان ارسال نمود. در جدول (1) تعدادی از ویژگی های منحصر به فرد LORA و SigFOX مطرح شده است.
اما جالب اینجاست که تمامی موارد بالا باعث کاهش قیمت این محصولات شده است و جالب تر از این موضوع نیز این است که تمامی ویژگی ها و محدودیت های بیان شده برای محصول مورد نظر مشکلی ایجاد نمی کنند. همانطور که گفته شد صرفا اطلاعات ما شامل متن و نهایتا یک عکس کم حجم است. اما چرا ما ماژول های NB-IoT را انتخاب نموده ایم؟ (ماژول های گران تر و دارای ویژگی های مازاد بر نیاز ما در این محصول)؛ این اقدام همانند خرید یک پاکت شیر از سوپرمارکت محله به وسیله یک کامیون هجده چرخ می باشد.
در ماژول های LORA و SigFOX شاهد این قضیه هستیم که هر کدام به نوبه ای محدودیتی در شبکه و یا ماژول خود تعبیه نموده اند. در استاندارد های تعریف شده از طرف شرکتSigFox به محدودیت Private Network Standard برخواهیم خورد که مانعی برای امنیت شبکه می باشد. و یا از طرف شرکت های سازنده LORA محدودیت Private Radio Standard را برای ماژول خود در نظر گرفته اند. همچنین ماژول های LORA و SigFOX نیازی به سیم کارت برای راه اندازی ندارند و در محدوده های فرکانسی خارج از شبکه 4G کار می کنند. پس صرفا با مجوزی از سوی وزارت مخابرات می توان بخشی از پهنای باند را برای محصول خود اختصاص دهیم، بدون اینکه نیازی به همکاری با اپراتور های فعال در کشور باشد.
اما در عوض NB-IoT برای فعالیت های خود نیاز به سیم کارت خواهد داشت. از آنجایی که این ماژول ها در شبکه 4G کار خواهند کرد، پس نیاز به مجوز های لازم از سوی وزارت مخابرات و اپراتور های همراه خواهند داشت. از آنجایی که نفوذ و ثروت اپراتور های مخابراتی بسیار بالا می باشد و این شرکت ها توان ایجاد بستر هایی امن و پر کاربر (بدون اختلال در شبکه) را در سابقه کاری خود دارند، نتیجه بر آن است که تکنولوژی های NB-IoT در آینده ای نزدیک رشد بیشتری خواهند داشت و استفاده از این بستر در محصولات باعث جذب بی دغدغه سرمایه گذار و همچنین شبکه ای پیشرفته و مطمئن خواهد شد. باید بدانیم که سود حاصل از پیشرفت و فروش شبکه، سیم کارت و محصولات اینترنت اشیاء بسیار وسیع است. پس هیچ گاه هیچ شرکتی خواستار تقسیم این سود با دیگر شرکت ها و حوزه های کاری نمی باشد. از این رو اپراتور ها و شرکت هایی مانند هووای تلاش روزافزونی دارند تا بستر NB-IoT را گسترش دهند و از نفوذ و ثروت خود برای ایجاد موانعی در شکل گیری شبکه های LORA و SigFOX بهره می برند.
تا اینجای کار ماژول های NB-IoT را برگزیده ایم که در ادامه مقاله به ویژگی های تخصصی این تکنولوژی خواهیم پرداخت. اما قبل از آن باید گفت که متاسفانه در کشور هنوز شاهد برقراری ارتباط های موثر شبکه اینترنت اشیاء نبوده ایم و صرفا چند اپراتور و شرکت کوچک محصولاتی را تحت این تکنولوژی ساخته و ارائه کرده اند که کافی نیست. امید است در آینده ای نزدیک اپراتور های همراه بستر های مناسب شبکه های NB-IoT را روی شبکه همراه فعلی کشور راه اندازی نمایند تا پیشرفت-های شگرف این حوزه علمی در کشور متبلور گردد.
ویژگی های تکنولوژی NB-IoT
اینترنت اشیاء narrow band یکی از فناوری‌های LPWAN است که این قابلیت را فراهم می‌کند تا تعداد زیادی از دستگاه‌ها و سرویس‌ها بتوانند از طریق شبکه‌های سلولی به یکدیگر متصل شوند. NB-IoT فناوری ای است که توسط سازمان استانداردسازی 3GPP برای حمایت از اینترنت اشیاء به وجود آمده است. در ماه نوامبر سال 2015، 3GPP یک گروه کاری را برای ادغام فناوری اینترنت اشیاء cellular شرکت هواوی و فناوری NB-LTE شرکت نوکیا، اریکسون و اینتل ایجاد کرد که در نتیجه این جلسه NB-IoT ارائه شده است. هدف این فناوری تمرکز بر روی هزینه کم، دوام بیشتر باتری، پوشش در مناطق داخلی و پشتیبانی از تعداد زیاد دستگاه‌ها است. NB-IoT با پشتیبانی از تمامی تجهیزات موبایل اصلی، تولید کنندگان chipset و ماژول، می تواند با شبکه های 2G ,3G ,4G سازگار باشد. همچنین از تمامی ویژگی های امنیتی و حفظ حریم خصوصی شبکه های تلفن همراه مانند پشتیبانی از هویت کاربر، تایید هویت سازمانی، محرمانه بودن، یکپارچگی داده ها و شناسایی تجهیزات موبایل بهره می برد. ویژگی های شبکه و ارسال اطلاعات توسط ماژول هایNB-IoT نیز در جدول (1) قابل مشاهده است.
شرکت های زیادی برای استاندارد سازی این تکنولوژی تلاش می کنند و هر کدام تلاش دارند تا منافع خود را در این استاندارد قرار دهند. از این رو در سطح جهان انجمنی به نام انجمن NB-IoT تشکیل شده است که اهداف آن را می توان:
1) تسهیل راه اندازی تجاری راه حل های NB-IoT در سطح جهانی
2) رهبری همکاران صنعتی برای بهره مندی از یک حلقه محکم صنعتی برای پیشرفت و رشد NB-IoT
3) مدیریت و رشد برنامه های کاربردی NB-IoT در بازارهای عمودی برای فرصت های کسب و کار جدید
4) ارتقاء همکاری بین تمام شرکای صنعت NB-IoT برای اطمینان از قابلیت همکاری راه حل ها
دانست. مدیریت این انجمن بر عهدهLuke Ibbetson از گروه صنعتی Vodafone می باشد. تعداد زیادی از شرکت های بزرگ عضو این انجمن می باشند که می توان از جمله مهم ترین آن ها به شرکت های ARM Ltd.، Huawei Technologies Co Ltd، Intel Corporation، نوکیا، سامسونگ، بلک بری و از ایران نیز به حضور ایرانسل اشاره کرد.
این فناوری با بهره‌گیری از پهنای باندی بسیار باریک ۲۰۰ کیلوهرتزی (۱۸۰ کیلوهرتز به‌علاوه محافظ بین باند) می‌تواند نرخ انتقال چند ده کیلوبیتی فراهم کند. پهنای باند ۲۰۰ کیلوهرتزی می‌تواند به سه شکل وجود داشته باشد. در حالت In-bandاز همان بلوک‌های منابع موجود در LTE استفاده می‌شود، در حالت Guard-band از بلوک‌های منابعی که به عنوان محافظ در LTE هستند و از آنها استفاده نمی‌شود، بهره می‌برند و در حالت Standalone از پهنای باند اختصاصی خود استفاده می‌کند، که در این حالت می‌تواند از باند فرکانسی GSM نیز استفاده کند. شکل(2) نمایش دهنده نحوه قرار گیری و ویژگی های خاص این 3 حالت می باشد.
ویژگی مهم دیگر ماژول های NB-IoT در این است که در میان تمام حالت های کاری خود مزیتی که بر دیگر ماژول ها دارند وجود یک مود کاری جدید به نام PSM می باشد. این مود که خلاصه شده Power Saving Mode است به کمک طراحان آمده است تا بتوانند انرژی بیشتری را ذخیره کنند. این کار باعث می شود که محصولاتی که با این ماژول ها طراحی شده اند بتوانند تا 10 سال با یک بار شارژ کار کنند و به انتقال اطلاعات مشغول باشند. در حالی که همیشه امکان خاموش کردن ماژول برای برنامه کاربردی به منظور مدیریت میزان مصرف باتری وجود دارد، دستگاه می بایست هر بار به طور اتوماتیک بعد از روشن شدن مجدداً ماژول را به شبکه متصل نماید. تلاش برای اتصال مجدد به شبکه انرژی کمی نیاز دارد اما مجموع این مصرف انرژی در طول عمر یک محصول می تواند مقداری چشم گیر باشد. بنابراین یافتن روشی که نیازی به اتصال مجدد نداشته باشد بسیار کارا خواهد بود و طول عمر باتری را به شکل محسوسی افزایش خواهد داد.
شرکت های مختلفی در سطح جهان اقدام به تولید این ماژول ها کرده اند که هر کدام ویژگی های اضافی برای ماژول در نظر گرفته اند. این شرکت ها تلاش دارند تا با طراحی ماژول هایی که خود شامل میکروکنترلر نیز هستند میزان مصرف انرژی را به حداقل برسانند اما هنوز شرکتی به صورت کامل چنین ماژولی را ارائه نداده است و هر کدام به نوبه خود نواقصی دارند که نیاز به میکروکنترلر را در محصولات همچنان زنده نگه می دارند. تعدادی نیز با قرار دادن GNSS نیاز طراحان به یک ماژول خارجی مکان یابی را برطرف کرده اند. در این میان می توان به شرکت های Quectel که با تولید ماژول BG96 سعی در رفع تمامی این نیاز ها و پشتیبانی از شبکه 4G را دارد و یا شرکت های Ublox که با مدل های Sara ماژول های خود را در بازار عرضه می کنند اشاره کرد. شرکت SIMCOMM نیز همانند Quectel تمامی نیاز های طراح را حل خواهد کرد و در ماژول های خود امکان مکان یابی را تعبیه نموده است.
حال با اطلاعات بالا می توان به راحتی برد توسعه یک ماژول NB-IoT را تولید کرد و برای کاربرد های مختلف به کار گرفت. در این بین گروه کاری دانشگاه شریف نیز دست به اقداماتی زده است تا به وسیله این ماژول محصولاتی در زمینه سلامت و مکان-یابی عرضه کند. این پروژه همچنان در حال ساخت و طراحی است و از آنجایی که همچنان بستر لازم برای NB-IoT در سطح کشور وجود ندارد، متاسفانه محصولات در سطح ارائه متوقف خواهند شد و تلاش برای کاهش میزان مصرف انرژی در دستور کار قرار خواهد گرفت.
